Исследователи из Лаборатории нанооптики и плазмоники
Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ создали теорию, позволяющую
точно предсказывать шумы, возникающие при усилении фотонных и плазмонных
сигналов в наноразмерных схемах.
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Applied, учёные
представили алгоритмы расчёта максимальной скорости передачи данных
внутри оптоэлектронных микропроцессоров ближайшего будущего и нашли
фундаментальные ограничения на пропускную способность нанофотонных
интерфейсов, сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию Planet
Today.
Поверхностные плазмон-поляритоны представляют собой коллективные
колебания электронов на поверхности металла вместе с окружающим их
электромагнитным полем. Упрощённо поверхностный плазмон можно описать
как «сплюснутый» квант света, и именно это обуславливает перспективность
плазмонных устройств: их размеры не сильно превосходят размеры
наноэлектронных компонентов, но с их помощью можно передавать куда
больше информации, чем по электрическим проводам. Даже частичная замена
металлических соединений на чипе на плазмонные (нанофотонные) позволит
существенно повысить производительность микропроцессоров.
Проблемой является затухание сигнала — поверхностные плазмоны могут
распространяться лишь по активным волноводам, которые не просто
направляют сигнал от источника к приёмнику, но и подпитывают его за счёт
энергии проходящего через устройство электрического тока. Добавление
энергии извне компенсирует потери, и сигнал так же свободно
распространяется по такому волноводу, как идут стрелки кварцевых часов
до тех пор, пока в них не сядет батарейка.
С усилением сигналов и компенсацией потерь связана фундаментальная
проблема. Любой усилитель не только увеличивает амплитуду всего, что
поступает на его вход, но и сам добавляет помехи. Такие помехи в физике
называют шумом. Законы термодинамики указывают на то, что шум той или
иной природы будет неизбежно возникать в любой системе: сделать
устройство, в котором шумов нет, принципиально невозможно. Как правило,
искажения исходного сигнала определяются именно шумом, что
фундаментально ограничивает скорость передачи информации по различным
каналам связи или вызывает ошибки при её приёме. А чтобы повысить
скорость обмена данными, надо улучшить соотношение сигнал-шум. Важность
этого соотношения легко поймёт каждый, кто пробовал общаться на
оживлённой улице или настраивать радиоприёмник вдали от города.
«Шумы играют ключевую роль чуть ли не
в половине всех бытовых устройств: начиная с мобильных телефонов и
телевизоров и заканчивая оптоволоконными сетями интернета. Усиление
сигнала неизбежно приводит к ухудшению соотношения сигнал-шум. Причём
чем больше усиление или, как в нашем случае, компенсируемые потери, тем
больше шума следует ожидать на выходе. В плазмонных волноводах с
усилением это проявляется наиболее ярко», — комментирует актуальность проблемы Дмитрий Федянин.
В новой статье, представленной Дмитрием Федяниным и Андреем Вишневым
на страницах журнала Physical Review Applied, речь идёт об особом виде
шума, а именно о фотонном шуме, возникающем при усилении плазмонных
сигналов в полупроводниковых устройствах. Основным его источником
является так называемое спонтанное излучение. Дополнительная энергия
поступает в сигнал при переходах электронов из состояний с большей
энергией в состояния с меньшей: разница в энергии этих состояний
излучается в виде световых квантов, и такое излучение может быть как
вынужденным, так и спонтанным. Вынужденное излучение усиливает сигнал, а
вот спонтанное даёт шум, причём в виде излучения с разной энергией
квантов, то есть в широком спектре. Шум проявляется как случайные
колебания интенсивности излучения, возникающие в результате биений —
наложения отдельных частотных компонент сигнала и спонтанной эмиссии.
При этом чем больше усиление, тем сильнее шум, тем шире спектры
вынужденной и спонтанной эмиссии и тем менее правомерны подходы
квантовой оптики, разработанные для описания отдельных атомов. Большое
усиление на наномасштабах в активных плазмонных волноводах заставило
исследователей решать задачу фактически с чистого листа.
«Нам пришлось объединить три области,
которые крайне редко одновременно пересекаются друг с другом в научном
мире: квантовую оптику, физику полупроводников и оптоэлектонику. Мы
разработали подход к описанию фотонного шума в системах со средой,
усиливающей в широком спектральном диапазоне. Несмотря на то, что
изначально теория создавалась для плазмонных волноводов, наш подход
можно применять для любых оптических усилителей и подобных им систем», — объясняет Дмитрий Федянин.
Шум ведёт к ошибкам при передаче данных, что сильно снижает
фактическую скорость передачи информации из-за необходимости
использовать алгоритмы коррекции ошибок. Коррекция ошибок, помимо
уменьшения скорости, требует наличия в чипе дополнительных компонентов,
которые бы эту коррекцию реализовывали на аппаратном уровне, что
значительно усложняет как проектирование, так и производство новых
устройств.
«Зная мощность шума в нанофотонном
канале связи и спектральные характеристики шума, можно вычислить, с
какой максимальной скоростью возможно передавать информацию по такому
каналу. Кроме того, мы можем определить, как уменьшить шум, выбирая
определённые режимы работы устройства и используя электронную или
оптическую фильтрацию», — продолжает Андрей Вишневый.
Новая теория позволяет, в частности, понять, возможно ли в будущем
создание принципиально нового класса устройств — плазмонно-электронных
чипов. В таких чипах компактные плазмонные компоненты должны применяться
для передачи данных между вычислительными ядрами и регистрами
процессора на сверхвысоких скоростях. Ранее считалось, что основным
препятствием на этом пути является ослабление сигнала; однако, согласно
работе исследователей из МФТИ, после компенсации потерь на первый план
выходит проблема шумов. Сигнал, в принципе, может просто утонуть в шуме
спонтанного излучения, что сделает чип абсолютно бесполезным.
Проведённые исследователями расчёты показывают, что в активном
плазмонном волноводе размером лишь 200×200 нанометров можно эффективно
передавать сигнал на расстояние до 5 миллиметров. Это расстояние может
показаться очень малым по бытовым меркам, но оно является типичным для
современных микропроцессоров. При этом скорость передачи информации
будет превышать 10 Гбит/с на один спектральный канал (канал передачи
информации, реализованный на фиксированной длине волны), а таких
спектральных каналов в одном наноразмерном волноводе умещается до
нескольких десятков при использовании технологии спектрального
уплотнения каналов, которая применяется во всех оптических линиях
коммуникации, включая широкополосный интернет. Для сравнения:
максимальная скорость передачи информации по электрическому соединению
тех же размеров (т. е. по медной дорожке на чипе) составляет всего 20
Мбит/с, то есть более чем в 500 раз меньше!
Учёные подробно исследовали, как меняются характеристики шума и его
мощность в зависимости от параметров плазмонного волновода с
компенсацией потерь, а также показали, как можно понизить уровень шума
для достижения максимальной пропускной способности такого нанофотонного
интерфейса. Они продемонстрировали сочетание малых размеров, малого
числа ошибок при высокой скорости передачи данных и достаточно высокой
энергоэффективности в одном устройстве, что может уже в ближайшее
десятилетие обеспечить «плазмонный прорыв» в микроэлектронике.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда
#14-19-01788 и программой повышения конкурентоспособности МФТИ «5-100».
